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在這個工業(yè)化的世界，電網(wǎng)是如此值得信賴，以至于我們認(rèn)為擁有可靠的電力是理所當(dāng)然的。但是在印度，停電卻是常常發(fā)生的可悲現(xiàn)實。接入電網(wǎng)并不能保證獲得可靠的電力供應(yīng)。比如，2015年對印度6個邦的村鎮(zhèn)進(jìn)行的調(diào)查顯示，大部分村鎮(zhèn)平均每天的電力供應(yīng)不足4小時；將近半數(shù)的家庭雖有電網(wǎng)接入，實際上卻沒有電。人們提出的問題主要是可靠性、質(zhì)量和可承受度差。在印度的許多地方，即便是中等收入家庭也經(jīng)常受到停電的困擾，停電的持續(xù)時間從一天幾小時到近乎一整天不等。有能力的家庭通常會安裝柴油發(fā)電機——這是一個既昂貴又污染環(huán)境的選擇。

此外，國際能源署的調(diào)查顯示，大約2.5億印度人（約占印度總?cè)丝诘?/5）的日常生活無電可用。對于一個在科學(xué)和技術(shù)方面正以驚人速度取得進(jìn)步的國家來說，這一令人遺憾的電氣化狀況很不光彩。

近年來，印度政府大量投資發(fā)電項目（包括太陽能和風(fēng)能發(fā)電廠）、最先進(jìn)的高壓輸電線建設(shè)和大批家庭電氣化工程，但這些努力只是觸及皮毛而已。一家對農(nóng)村電氣化進(jìn)程進(jìn)行追蹤的政府門戶網(wǎng)站顯示，在印度29個邦中，只有4個邦確實實現(xiàn)了所有家庭都能獲得供電。

問題出在這里：印度政府采取了一種傳統(tǒng)方式來實現(xiàn)電氣化，即將注意力放在加強發(fā)電、輸電和配電上。但其實有一個更好、更實惠、更高效、見效更快也更易部署的方法。這個方法可以一次性解決電氣化各方面的問題，縮小供需差距，降低電力成本，并向每個人提供源源不斷的可靠電力。

這一戰(zhàn)略是由我在印度理工學(xué)院（IIT）馬德拉斯分校的團隊與業(yè)界合作伙伴共同開發(fā)的，采用的是太陽能直流微電網(wǎng)。對于沒有接入電網(wǎng)的家庭，一個125瓦的微電網(wǎng)可以作為唯一的電力來源。對于接入電網(wǎng)的家庭，微電網(wǎng)可作為備用電源，使照明、風(fēng)扇、電視機和手機充電器在用電管制的情況下也能夠繼續(xù)使用。

2014年，我們開始在印度理工學(xué)院馬德拉斯分校內(nèi)的數(shù)十個家庭、辦公室和宿舍中對我們的直流微電網(wǎng)進(jìn)行實地測試。第二年，我們將部署區(qū)域擴大至3個城市和數(shù)個村鎮(zhèn)的約1000戶家庭中。現(xiàn)在，在印度電力部的資金支持下，我們正在開展兩項大規(guī)模的項目，最終將覆蓋超過10萬個家庭。

以西方的標(biāo)準(zhǔn)來看，我們的微電網(wǎng)125瓦的負(fù)載功率非常微不足道——一臺普通家用真空吸塵器的功率就在500～3000瓦間。確實，在普通的北加州家庭中，“空載”功率（即插上電源但沒有啟動設(shè)備時的功耗）都遠(yuǎn)不止125瓦。但我們系統(tǒng)的每一個使用者都非常滿意，因為現(xiàn)在他們能夠全天候用電了。他們能在有照明的條件下做飯或在夜間學(xué)習(xí)、收看完整的電視節(jié)目（不再因用電管制而中斷收看）、在風(fēng)扇的涼風(fēng)中安睡一整夜；他們對現(xiàn)在所擁有的條件心懷感激。

印度因缺電家庭的龐大絕對數(shù)量而面臨的挑戰(zhàn)是獨特的，而我們的技術(shù)除在印度外，在世界其他地方同樣能一展身手。事實上，我們認(rèn)為對世界上的每一個家庭——無論是在辛辛那提還是圣保羅——來說，擁有太陽能直流微電網(wǎng)都是一件有利的事情。下面將介紹原因。

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先讓我們想想如何為已經(jīng)接入電網(wǎng)的家庭提供電力支持。同世界其他地方一樣，印度的主要電網(wǎng)以交流電為基礎(chǔ)。而我們的系統(tǒng)則采用直流電，這是因為太陽能板和電池、消費電子產(chǎn)品、LED照明和越來越多的家用電器都使用直流電。我們這樣做可以避免在交流電和直流電之間來回轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生損耗。每次轉(zhuǎn)換都會造成5%～20%的能量損失，所以出于節(jié)能考慮，需要最大程度地減少轉(zhuǎn)換。

首先，我們在家中另外敷設(shè)一條可以滿足一戶普通家庭10%用電需求的48瓦直流輸電線。這條輸電線可以直接為LED燈和其他使用直流電的小家電供電。我們還將傳統(tǒng)電表替換為“不間斷直流”（UDC）電表，其控制和通信能力都與智能電表相同，并且還配有一個交流-直流轉(zhuǎn)換器，用來將一部分交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)電網(wǎng)需求達(dá)到高峰，而供電卻無法跟上。印度的慣常做法是由電網(wǎng)運營方完全切斷對某些地區(qū)的供電，直到供求重新達(dá)到微妙的平衡為止。而在部署了不間斷直流電表的地區(qū)，電網(wǎng)運營方則可以實施用電管制，縮減90%的供電。雖然剩余10%的供電聽上去不多，但在一些蓄電池（將在下文進(jìn)行進(jìn)一步介紹）電流的支持下，足以供家庭照明使用，甚至可以維持一些直流家電的運轉(zhuǎn)。在用電管制開始時，本地變電所會給每個不間斷直流電表發(fā)出信號，電表切斷家中的主要交流電路，但保留直流電路。用電管制結(jié)束后，變電所再次向不間斷直流電表發(fā)出信號，恢復(fù)家中的正常交流電供應(yīng)。

從2015年起，我們就與位于海德拉巴的太陽能公司Cgyni能源公司合作，在印度東北部比哈爾邦的薩薩拉姆市推出不間斷直流系統(tǒng)。在那里，將有多達(dá)10萬戶居民很快即可擁有直流微電網(wǎng)。這些家庭都接入了現(xiàn)有的交流電輸電網(wǎng)，但電網(wǎng)可靠性低，居民們都迫切希望擁有替代選擇。在印度各邦中，比哈爾地區(qū)在高峰時段的供需最不平衡，且人均電量最低。最終，薩薩拉姆將成為世界上首個每家每戶都裝有直流輸電線路的城市。

作為對主干電網(wǎng)供電的補充，每個使用不間斷直流電表的家庭還可以安裝一個125～500瓦的光伏電池板。光伏電池板通過不間斷直流電表與一塊低成本高性能的鉛酸電池相連。鉛酸電池由AmaraRaja電池公司研發(fā)，能夠在夜間和用電管制時供電。

與如今所安裝的大部分家用太陽能設(shè)施不同，我們的系統(tǒng)是全直流電系統(tǒng)。這樣就無須將太陽能板的直流電轉(zhuǎn)換成與主干電網(wǎng)同步的交流電，也不必再把交流電轉(zhuǎn)換為直流電以便為電池充電，避免了效率低下的問題。

綜合以上措施，接入主干電網(wǎng)的直流輸電線和太陽能微電網(wǎng)所提供的電力足以為5臺風(fēng)扇、8盞LED燈、2臺小型平板電視、若干手機和平板電腦充電器，以及1臺筆記本電腦供電。當(dāng)然，這些設(shè)備都可以兼容直流電，比使用交流電的設(shè)備需要的電力少得多。這些風(fēng)扇使用無刷直流電機；一臺交流電風(fēng)扇的功耗可能達(dá)到72瓦，而一臺直流電風(fēng)扇在同等風(fēng)檔下的功耗僅為30瓦。類似的無刷直流電機未來可被用于電箱、空調(diào)和洗碗機。LED照明、液晶電視和計算機之類的設(shè)備已經(jīng)在使用直流電了；要將這些設(shè)備插入傳統(tǒng)的交流電插座中，制造商需要增加一個交流-直流轉(zhuǎn)換器。因此，要將它們配置為使用直流電運行，基本上把交流-直流轉(zhuǎn)換器替換為更加高效的直流-直流控制器就可以了。

通過使用兼容直流電而非交流電的電燈和設(shè)備，屋主可以大幅削減用電，從而減少每月開支。我們進(jìn)行了一項模擬，以比較太陽能交流微電網(wǎng)和太陽能直流微電網(wǎng)的成本。我們計算了一間配有兩個LED燈管、兩個LED燈泡、兩臺電扇、一部手機和一臺24英寸LED電視的小家庭的耗電量。如果使用太陽能交流微電網(wǎng)供電，該家庭每天耗電3.3千瓦時，花費16.3盧比（約合24美分）；如果使用直流微電網(wǎng)，每天僅耗電1.2千瓦時，花費6.5盧比（約合9.5美分），因為直流電設(shè)備效率更高且沒有轉(zhuǎn)換損失。

我們隨后研究了微電網(wǎng)在分區(qū)限電情況下的表現(xiàn)。分區(qū)限電在印度的許多地區(qū)都非常常見，每天都會發(fā)生，每次持續(xù)時間達(dá)4小時。在這種情況下，微電網(wǎng)的電池將會放電，之后再充電。上文提到過，太陽能交流微電網(wǎng)在將交流-直流-交流的轉(zhuǎn)換過程中損耗大量能量。如果將分區(qū)限電的因素考慮在內(nèi)，那么使用交流微電網(wǎng)每天的支出將上漲至28.9盧比（約合42美分），而直流微電網(wǎng)的開支僅略微上漲至7.3盧比（約合11美分）。在為期一個月的時間內(nèi)，使用直流微電網(wǎng)大約可節(jié)省超過400盧比（約合5.9美元）。對于發(fā)達(dá)國家的富裕居民來說，這點錢可能不算什么，但在印度的很多地方，這是一筆不小的開支。這可能意味著享受光明還是忍受黑暗，開著電扇還是在床上流汗的區(qū)別。

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太陽能直流微電網(wǎng)也即將對印度那些從未享受過電力接入的村鎮(zhèn)產(chǎn)生影響。到目前為止，我們最大規(guī)模的安裝活動涵蓋了印度西部拉賈斯坦邦的71個村莊。在這些地方，我們與JodhpurVidyut Vitran Nigam公用事業(yè)公司合作，幫助印度電力部向約4000戶家庭供電。（關(guān)于喜馬拉雅山區(qū)另一個印度偏遠(yuǎn)村莊實現(xiàn)電氣化的案例，參見本文下方往期推薦“啟明之光：為喜馬拉雅山上的遙遠(yuǎn)村莊帶去電力和光明”。）

在啟動這個項目之前，村民在夜晚基本上就是生活在黑暗中。事實上，拉賈斯坦邦的電力足以滿足全邦人口的需要，但如何將電輸送到每家每戶卻成了問題。

我們安裝電網(wǎng)的第一個村莊是BhomJi Ka Gaon村。這個村有120戶人家，位于拉賈斯坦邦無垠的沙丘間，距離最近的鎮(zhèn)90公里，距離最近的城市焦特布爾300公里。村民們的家分布在一個約10平方公里的區(qū)域內(nèi)。由于沒有平整的道路，穿越這些沙丘最好的交通工具就是駱駝拉的大車、拖拉機或者四驅(qū)車。村民收集雨水來澆地和飲牲口。大部分居民除非是需要去磨小麥或者小米，否則不會冒險出村。

如果要將傳統(tǒng)電網(wǎng)延伸到這么偏遠(yuǎn)的地方，就需要修建變電所和輸電線。考慮到崎嶇的地形、過長的距離以及偶爾出現(xiàn)的嚴(yán)重沙塵暴，這么做十分困難，而且從經(jīng)濟上來說也不現(xiàn)實。不僅如此，即便是在最好的情況下，如此巨大的投資真正實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的機會也很渺茫：村民們雖然可以自給自足，但并不富裕，即便實現(xiàn)電力供應(yīng)，他們也沒有能力大量購買。

不過，在一年的大多數(shù)時間里，拉賈斯坦邦都擁有晴朗的天空和充沛的陽光。這為利用太陽能提供了理想的條件，也確實吸引了若干大型光伏發(fā)電廠，最引人矚目的是擬在桑哈（Sambhar）湖畔建設(shè)的太陽能發(fā)電廠，其裝機容量為4000兆瓦，是世界最大的太陽能發(fā)電廠。但這些發(fā)電廠面臨諸多與傳統(tǒng)電網(wǎng)輸電類似的問題：它們都需要輸電和配電基礎(chǔ)設(shè)施才能將電能輸送到附近的村莊，并且還需要承受將太陽能生產(chǎn)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電所帶來的轉(zhuǎn)換損失。

我們在拉賈斯坦邦部署電網(wǎng)的過程中，每戶家庭都會得到一個125瓦的太陽能板，一個特別設(shè)計的、預(yù)期使用壽命為1600個充放電周期（一般電池約為800個周期）的1千瓦時鉛酸電池和一個無逆變器控制器。每戶家庭還將得到一套電器補助：一臺全尺寸直流電扇、一個亮度可調(diào)的LED燈管、一個可以控制電扇和燈管的遙控器、一個LED燈泡和一臺手機充電器。屋主可以自行添加電燈或電視，只要總功耗不超過125瓦即可。整套系統(tǒng)的制造和安裝費用僅為傳統(tǒng)電網(wǎng)輸電網(wǎng)安裝費的零頭。

我們還在拉賈斯坦邦以外的地區(qū)開展了安裝項目，以2～4戶家庭為一組，每組共享一個500瓦的微電網(wǎng)；在另一個安裝項目中，30戶家庭共享一個7500瓦的微電網(wǎng)。如果采用這些較大電網(wǎng)的話，可遠(yuǎn)程控制每戶不間斷直流電表的無線連接，按需分配每個家庭的電量。共享設(shè)備減輕了單個家庭的安裝和使用開支。

對于像Bhom Ji Ka Gaon村這樣的村子來說，以傳統(tǒng)方式實現(xiàn)電氣化需要很多年。在此期間，直流電電器將不斷改進(jìn)，也將有越來越多的產(chǎn)品上市，包括蒸發(fā)冷卻器、小型直流電冰箱和太陽能灶。與此同時，太陽能板、電池和其他微電網(wǎng)組件將變得更加便宜和高效。最終，村民們或許能使用離網(wǎng)系統(tǒng)滿足全部需求。

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印度的電力問題根深蒂固，而且是普遍存在的。不過印度在推廣電話方面的經(jīng)驗讓我們看到了一線希望。在20世紀(jì)90年代中期以前，只有不到5%的印度家庭裝有電話，在很多地方可能必須要等上數(shù)年才能裝上固定電話。主要問題在于銅線電纜的成本過于高昂，大多數(shù)人無法承受。

之后，手機開始出現(xiàn)，移動網(wǎng)絡(luò)開始迅速擴展。今天，幾乎每個印度成年人都擁有一部手機。手機所提供的功能要比固定電話多得多，并且移動服務(wù)的數(shù)量和范圍都在繼續(xù)增加和擴展。

因此，印度的電氣化也可以走非傳統(tǒng)的顛覆性道路。我們希望太陽能直流微電網(wǎng)和配套的不間斷直流電表也能夠像印度的移動網(wǎng)絡(luò)那樣，跳過傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)跨越式發(fā)展。將直流輸電線引入家庭將自然而然地推動直流電器市場的發(fā)展，這反過來又會逐步取代更加耗電的交流電器。隨著時間的推移，這些電器以及微電網(wǎng)將變得更加實惠，即便是收入甚微的村民也能負(fù)擔(dān)得起。隨著家家戶戶大幅減少用電，并且就地生產(chǎn)新的電力，家庭的電費開支也會減少。家庭對于傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴越少，供電中斷的影響也就越小；最終，隨著供求差距的消弭，這類供電中斷的情況也將消失。

我們知道這一技術(shù)能夠改變生活。我們已經(jīng)見識到了，哪怕一丁點兒電力也如“星星之火，可以燎原”，我們也聽到了村民們那些富有啟發(fā)性的感人故事。他們體驗到了從未想象到的舒適、方便和安全。這將是一個眾多技術(shù)突破共同造福大眾的罕見時刻。對于12億無電可用的人們來說，這一切來得越快越好。

作者：Ashok  Jhunjhunwala